その他

目次

• 割り込み

割り込み

割り込み方式

• イベントが到着したときにハードウェアがOSに通知する方式。
• ここでは「x86-64アーキテクチャ」で割込みを扱う方法を説明する。

「x86-64アーキテクチャ」の割り込み手順

• 事前準備
1. イベント発生時に実行する割り込みハンドラを準備する。
2. 割り込みハンドラを、IDT(割り込み記述子テーブル)に登録する。
• イベント発生時
1. ハードウェア（場合によってはソフトウェア）がイベントをCPUに通知する。
2. CPUは現在の処理を中断し、イベントの種類に応じて登録された割り込みハンドラに処理を移す。
3. 割り込みハンドラの処理が終わると、中断していた処理を再開する。

割り込みハンドラ

• 割り込みハンドラ(Interrupt Handler)：割り込み発生時に実行される関数。
• 割り込み処理の終了はEOIレジスタ(0xfee000b0番地に値(ここでは0)を書き込むことで可能。

割り込みベクタ

• 割り込みの種類
• マウスやキーボードが動くなどしてUSBホストコントローラがイベントを検知したときに発生する割り込み
• タイマが一定時間を刻んだ時に発生する割り込み
• ディスク装置とメインメモリの間でのデータ転送が完了したときの割り込み
• 0で割り算を実行しようとしたときの割り込み(割り込みベクタ0番地)
• すべての割り込みが同じ割り込みとして扱われると大変不便なので、割り込みの種類ごとに異なる「割り込み要因番号(割り込みベクタ)」を割り振って管理する。
• 固定番号がある場合と、OSの作者が勝手に番号を決めて良い場合もある。
• CPUはIDT(割り込み記述子テーブル:Interrupt Descriptor Table)によって割り込み要因番号と割り込みハンドラを対応づける。

IDT(Interrupt Descriptor Table):割り込み記述子テーブル

• 割り込み要因番号と割り込みハンドラを対応づけるためのテーブル。
• 0-255の割り込み要因番号に対し割り込みハンドラを対応付けることができる。
• メインメモリ上に配置する。
• 割り込みハンドラをIDTに登録することで、実際に割り込みが発生した際に登録されたハンドラが呼び出される。
• IDTの値は他の場所から取得してテーブルに入れる感じ

割り込み記述子の構造

コード

• main.cpp
//割り込みハンドラをコンパイラへ明示 __attribute__((interrupt)) void IntHandlerXHCI(InterruptFrame* frame) { while (xhc->PrimaryEventRing()->HasFront()) { if (auto err = ProcessEvent(*xhc)) { Log(kError, "Error while ProcessEvent: %s at %s:%d\n", err.Name(), err.File(), err.Line()); } } NotifyEndOfInterrupt(); } //割り込みの高速化後(while文がなくなった) __attribute__((interrupt)) void IntHandlerXHCI(InterruptFrame* frame) { main_queue->Push(Message{Message::kInterruptXHCI}); NotifyEndOfInterrupt(); } //kernelmain内(エントリポイント) //IDT //asmfunc.asmで定義 const uint16_t cs = GetCS(); //interrupt.cppの関数(MakeIDTAttr含む) SetIDTEntry(idt[InterruptVector::kXHCI], MakeIDTAttr(DescriptorType::kInterruptGate, 0), reinterpret_cast<uint64_t>(IntHandlerXHCI), cs); //asmfunc.asmで定義 LoadIDT(sizeof(idt) - 1, reinterpret_cast<uintptr_t>(&idt[0]));
• interrupt.cpp
void SetIDTEntry(InterruptDescriptor& desc, InterruptDescriptorAttribute attr, uint64_t offset, uint16_t segment_selector) { //attrの値を構造体へ desc.attr = attr; //offset_low,middle,highを分解して、割り込み記述子の構造へ desc.offset_low = offset & 0xffffu; desc.offset_middle = (offset >> 16) & 0xffffu; desc.offset_high = offset >> 32; //segment_selector desc.segment_selector = segment_selector; }
• interrupt.hpp(変数定義)
//割り込み記述子のType enum class DescriptorType { kUpper8Bytes = 0, kLDT = 2, kTSSAvailable = 9, kTSSBusy = 11, kCallGate = 12, kInterruptGate = 14, kTrapGate = 15, }; //割り込み記述子(4byte目) union InterruptDescriptorAttribute { uint16_t data; struct { uint16_t interrupt_stack_table : 3; uint16_t : 5; DescriptorType type : 4; uint16_t : 1; uint16_t descriptor_privilege_level : 2; uint16_t present : 1; } __attribute__((packed)) bits; } __attribute__((packed)); //割り込み記述子の構造体 struct InterruptDescriptor { uint16_t offset_low; uint16_t segment_selector; InterruptDescriptorAttribute attr; uint16_t offset_middle; uint32_t offset_high; uint32_t reserved; } __attribute__((packed)); //IDTの定義(割り込み記述子を256個並べた配列,任意の割り込みベクタを使うことができる extern std::array<InterruptDescriptor, 256> idt; //割り込みベクタの0x40を指定するための定数(なぜクラス化しているのか謎) class InterruptVector { public: enum Number { kXHCI = 0x40, }; }; // struct InterruptFrame { uint64_t rip; uint64_t cs; uint64_t rflags; uint64_t rsp; uint64_t ss; };
• interrupt.hpp(関数定義)
//割り込み記述子の4byte目を作成 constexpr InterruptDescriptorAttribute MakeIDTAttr( DescriptorType type, uint8_t descriptor_privilege_level, bool present = true, uint8_t interrupt_stack_table = 0) { InterruptDescriptorAttribute attr{}; attr.bits.interrupt_stack_table = interrupt_stack_table; attr.bits.type = type; attr.bits.descriptor_privilege_level = descriptor_privilege_level; attr.bits.present = present; return attr; } //offset,4byte目,segment_selectorをそれぞれ構造体へ(interrupt.cppに記述) void SetIDTEntry(InterruptDescriptor& desc, InterruptDescriptorAttribute attr, uint64_t offset, uint16_t segment_selector); //IFレジスタに0を代入 void NotifyEndOfInterrupt();
• asmfunc.asm
bits 64 section .text global GetCS ; uint16_t GetCS(void); GetCS: xor eax, eax ; also clears upper 32 bits of rax mov ax, cs ret global LoadIDT ; void LoadIDT(uint16_t limit, uint64_t offset); limit=RDI,offset=RSI LoadIDT: push rbp mov rbp, rsp ;上記:関数呼び出し元ポインタをスタック sub rsp, 10 mov [rsp], di ; limit mov [rsp + 2], rsi ; offset lidt [rsp] ;下記:スタック mov rsp, rbp pop rbp ret

割り込みのまとめ

• 割り込みを扱うためには、割り込みハンドラ、割り込み記述子、そして割り込みの発生源の設定が必要。
• 割り込みハンドラは__attribute__((interrupt))を付け、処理の最後にEnd Of Interruptレジスタへの値の書き込みを行う。
• 割り込み記述子はメインメモリ上に作成したIDTという配列構造の１つの要素で、割り込みハンドラのアドレスや各種属性を設定する。
• IDT(割り込み記述子テーブル)は最大で256個の要素を持つ配列で、それぞれの要素は0-255の割り込みベクタに対応している。
• IDTの先頭アドレス、および大きさをlidt命令によりCPUに登録する。
• xHCIではMSI(またはMSI-X)という方式で割込みを発生させることになっているため、Message AddressおよびMessage Dataの設定をする。

• 割り込み高速化後のイベントループ構造
//事実この記述が割り込みの機能となる while (true) { //割り込みを禁止にする __asm__("cli"); //キューの数が0の場合はスキップ if (main_queue.Count() == 0) { __asm__("sti\n\thlt"); //stiとhlt。つまり\nと\t(改行とタブ) continue; } 　　//キューの先頭要素を取得 Message msg = main_queue.Front(); //キューをポップ main_queue.Pop(); //割り込みを許可する __asm__("sti"); //メッセージのタイプによって処理を選択(ここではまだマウスのみ) switch (msg.type) { case Message::kInterruptXHCI: while (xhc.PrimaryEventRing()->HasFront()) { if (auto err = ProcessEvent(xhc)) { Log(kError, "Error while ProcessEvent: %s at %s:%d\n", err.Name(), err.File(), err.Line()); } } break; default: Log(kError, "Unknown message type: %d\n", msg.type); } }